重金屬污染土壤的植物修復(fù)機(jī)理及其強(qiáng)化技術(shù)*

樊小磊 高柏

（1.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330013；2.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西南昌 330013；3.江西省地質(zhì)局，江西南昌 330001）

0 引言

土壤修復(fù)中，物理修復(fù)與化學(xué)修復(fù)等傳統(tǒng)方法對(duì)技術(shù)的要求較嚴(yán)格，且成本高、易產(chǎn)生二次污染。修復(fù)過(guò)程中如果操作不當(dāng)會(huì)對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)造成巨大的破壞，傳統(tǒng)修復(fù)方法的局限性限制了傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用。而植物修復(fù)技術(shù)是新興的土壤修復(fù)技術(shù)，具有易操作、二次污染小、成本低、不破壞土壤結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已越來(lái)越受到人們的關(guān)注，成為土壤修復(fù)的新途徑。本文對(duì)土壤中重金屬的來(lái)源及土壤污染重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了綜述，并重點(diǎn)對(duì)植物修復(fù)的機(jī)理及提高植物修復(fù)的技術(shù)進(jìn)行了討論，以期為未來(lái)土壤中重金屬的修復(fù)深入研究提供參考。

1 土壤重金屬污染物來(lái)源分析及其重點(diǎn)研究區(qū)

1.1 土壤重金屬污染物來(lái)源分析

1.1.1 大氣沉降

含有大量重金屬元素的粉塵和氣體會(huì)通過(guò)大氣的干濕沉降而進(jìn)入土壤環(huán)境，引起土壤發(fā)生污染。能源、運(yùn)輸、冶金及建筑材料等領(lǐng)域都會(huì)釋放重金屬到大氣中，通過(guò)大氣沉降最終到土壤與水體中。我國(guó)北京農(nóng)田土壤50%以上的砷、鎘、鉛、汞等元素通過(guò)大氣干濕沉降而被輸入。成都農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的重金屬大氣干濕沉降量平均達(dá)到17.8 g/（hm2·a），且該區(qū)域土壤中超過(guò)80 %的鎘污染由大氣沉降所導(dǎo)致。甘肅某地區(qū)在過(guò)去某時(shí)間段由大氣沉降輸入到土壤的重金屬為砷（214.6 g/hm2）、鉛（414.9 g/hm2）、鎘（10.8 g/hm2）與銅（352.6 g/hm2）。國(guó)外某地區(qū)，因?yàn)榇髿獬两刀M(jìn)入土壤中的重金屬為鋅（3 750 g/hm2）、砷（15 g/hm2）、鉻（19 g/hm2）、鉛（250 g/hm2）。由上述可以看出土壤中的銅、鉛、鎘等重金屬可以通過(guò)大氣沉降而輸入到土壤中。

1.1.2 工業(yè)活動(dòng)

重金屬元素被廣泛使用在工業(yè)活動(dòng)中，而工業(yè)中產(chǎn)生大量含重金屬的工業(yè)廢水和廢渣，如未經(jīng)嚴(yán)格處理而任意排放到周?chē)鷳B(tài)環(huán)境中，會(huì)導(dǎo)致周?chē)寥廊菀赘患吆康闹亟饘傥廴疚?，造成土壤重金屬污染的發(fā)生。工業(yè)廢棄物由于水洗、雨淋、日曬等因素導(dǎo)致廢物中重金屬極易遷移，并以漏斗狀甚至輻射狀向周?chē)寥乐袛U(kuò)散，并且由于風(fēng)的作用會(huì)導(dǎo)致重金屬污染的范圍不斷遷移與擴(kuò)大，影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)安全，因此，工業(yè)活動(dòng)成為土壤中重金屬非常重要的污染源之一。國(guó)外某硫酸生產(chǎn)廠(chǎng)周?chē)? km 外的土壤中硫、釩和砷的含量仍然較高。東北某冶煉廠(chǎng)由于含重金屬礦渣的不當(dāng)處置，大量的重金屬礦渣堆放在低洼處，并且浸出液含有大量的鎘與鋅，兩者含量達(dá)到驚人的7 500 mg/L 與6 600 mg/L，因沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)金屬資源進(jìn)行回收與處理，導(dǎo)致大量的金屬資源流失，并對(duì)周?chē)鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。當(dāng)前，我國(guó)電子垃圾收集與處理體系與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有待完善，如僅采用簡(jiǎn)單的焚燒和堆肥會(huì)導(dǎo)致大量的重金屬不斷污染土壤環(huán)境并持續(xù)富集。南方某廢舊電子廠(chǎng)表層土壤中鎘、砷、鉛含量嚴(yán)重超標(biāo)，分別為76.27、9.28 與125.78 mg/kg。廣東某電子廠(chǎng)周邊土壤中鎘、鉻、鉛的含量分別為57.1、320與415 mg/kg。某鄉(xiāng)鎮(zhèn)電子廠(chǎng)附近土壤中鉻和鉛含量分別為39.3 與1 635.4 mg/kg。工業(yè)導(dǎo)致的重金屬污染元素種類(lèi)較多，包括：鈹、鈦、碲、硒、鉬、錫、鉍、砷、銅、鋅、鉛、鎘等。

1.1.3 農(nóng)業(yè)活動(dòng)

地膜、化肥、農(nóng)藥為我國(guó)重要的農(nóng)用產(chǎn)品，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重大的積極作用，但如長(zhǎng)期不合理的濫用，也會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田土壤的重金屬污染，危害農(nóng)產(chǎn)品及人類(lèi)健康。某些農(nóng)藥含有鋅、砷、銅和汞等重金屬，如通過(guò)西力生農(nóng)藥進(jìn)入土壤的汞可達(dá)9 g/hm2，美國(guó)由于經(jīng)常使用含砷的農(nóng)藥，導(dǎo)致其密執(zhí)安州土壤中砷的含量為112 mg/kg。復(fù)合肥的大量使用，會(huì)導(dǎo)致土壤中有效鉻含量不斷增大，馬耀華等研究了施肥對(duì)土壤中鉻含量的影響，發(fā)現(xiàn)施加肥料后土壤中的鉻含量增加了0.19 mg/kg。美國(guó)橘園由于大量施加磷肥，30 多年后土壤中鉻的含量提高了0.93 mg/kg，新西蘭施加磷肥50 年后土壤中鉻含量提高了0.46 mg/kg。由于土壤中鉻與砷的環(huán)境容量低，而肥料中鉻和砷元素含量偏高，因此肥料的濫用會(huì)引起土壤中鉻和砷的快速積累。地膜在生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)加入含有鉛和鉻等重金屬的元素，造成土壤重金屬污染并且其大面積的使用也造成了土壤白色污染。除上述農(nóng)用產(chǎn)品外畜禽糞便和污泥堆肥如不及時(shí)處理，其中的重金屬也會(huì)逐漸釋放到土壤，同樣引起土壤的重金屬污染。

1.1.4 交通運(yùn)輸

汽車(chē)的尾氣排放及輪胎的磨損會(huì)產(chǎn)生大量含重金屬的粉塵和氣體（主要污染元素為鋅、銅和鉛等元素）并通過(guò)大氣干濕沉降作用污染道路兩側(cè)的土壤。污染強(qiáng)度因距離與交通流量的大小而不同，并且一般以道路為中心成條帶狀分布。歐洲A71 號(hào)公路道路兩側(cè)土壤受到了鉻、鋅和鉛的污染。有文獻(xiàn)研究了交通密度對(duì)公路邊鋅、鎳、銅、鉻和鉛的分布影響，結(jié)果表明，車(chē)流量越大公路兩側(cè)土壤重金屬含量越高，土壤距公路距離越遠(yuǎn)，重金屬含量越低，當(dāng)土壤離公路50 m 時(shí)，重金屬含量與當(dāng)?shù)赝寥辣尘八綆缀跻恢隆?/p>

1.2 我國(guó)土壤重點(diǎn)研究區(qū)域

我國(guó)重金屬污染土壤的重點(diǎn)研究區(qū)域呈現(xiàn)一定的地域分布規(guī)律［1］。在東西分布上我國(guó)東部發(fā)展強(qiáng)于西部，東部對(duì)土壤重金屬的研究強(qiáng)度高于西部，南北分布上，南方經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，南方對(duì)土壤重金屬的研究區(qū)域高于北方（圖1）。在研究區(qū)南北分布上，南部地區(qū)由于冶金行業(yè)相對(duì)北方地區(qū)較密，土壤中鎳、鉻、鎘、鋅、鉛和銅等重金屬含量高于北方地區(qū)，但我國(guó)北方對(duì)化石燃料消耗過(guò)大（主要是煤）以及塑料行業(yè)較發(fā)達(dá)等因素，北方土壤中汞和砷含量高于南方區(qū)域。由東到西的研究區(qū)由于工業(yè)密集度和燃煤與機(jī)動(dòng)車(chē)使用量的下降，土壤中鎳、汞、銅、鋅、鎘和鉛也呈下降趨勢(shì)，但隨著我國(guó)西部的發(fā)展與東部對(duì)環(huán)保的重視，東部的許多冶金行業(yè)逐漸往中西部轉(zhuǎn)移，使得中部地區(qū)土壤鎘污染越來(lái)越嚴(yán)重。

圖1 我國(guó)重金屬污染土壤重點(diǎn)研究區(qū)域分布

2 土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

隨著人們對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的日益重視，人們的主要研究方向轉(zhuǎn)變?yōu)樵诓黄茐漠?dāng)?shù)赝寥郎鷳B(tài)功能的基礎(chǔ)上來(lái)治理土壤的重金屬污染。重金屬污染土壤的修復(fù)不僅要考慮上述1.1 節(jié)土壤中重金屬的特點(diǎn)，還要考慮土壤本身的理化性質(zhì)、場(chǎng)地特點(diǎn)、修復(fù)目標(biāo)及土地利用、費(fèi)用、處理時(shí)間的長(zhǎng)短、政府部門(mén)和人們的接受程度等因素。目前常用的土壤修復(fù)技術(shù)有傳統(tǒng)物理修復(fù)、傳統(tǒng)化學(xué)修復(fù)及新型生物修復(fù)技術(shù)，各種修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)如表1 所示［2］。由表1 可以看出當(dāng)前修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，以便在實(shí)際土壤修復(fù)中選出最優(yōu)的修復(fù)方式。

表1 土壤重金屬修復(fù)技術(shù)

傳統(tǒng)的物理修復(fù)存在工程量大、產(chǎn)生二次污染、破壞土壤理化性質(zhì)并導(dǎo)致土壤肥力破壞、修復(fù)價(jià)格高及破壞土壤結(jié)構(gòu)等缺點(diǎn)，不能解決土壤污染的根本問(wèn)題?；瘜W(xué)技術(shù)投資成本高，破壞土壤原有生態(tài)環(huán)境，對(duì)重金屬去除不徹底且有污染物溶出的二次污染風(fēng)險(xiǎn)。新型生物修復(fù)技術(shù)具有成本低、二次污染少、來(lái)源廣等特點(diǎn)，對(duì)于環(huán)境中低濃度的重金屬具有較好的去除能力。當(dāng)前生物技術(shù)研究的重點(diǎn)有微生物修復(fù)和植物修復(fù)，但微生物技術(shù)存在重金屬在微生物死亡后重新釋放到土壤中的風(fēng)險(xiǎn)并且微生物對(duì)土壤的溶解氧、溫度、pH 值及含水率的要求較高。

植物修復(fù)成本低、易大面積修復(fù)、操作簡(jiǎn)單、二次污染少，并且種植植物可以改善土壤的肥力和有機(jī)質(zhì)，可以從植物中提取有用的重金屬，甚至達(dá)到植物冶金的目的，得到經(jīng)濟(jì)效益。種植植物也可以對(duì)周?chē)w及大氣污染進(jìn)行凈化，更易被人們所接受。

3 重金屬污染土壤的植物修復(fù)機(jī)理

當(dāng)前，我國(guó)對(duì)重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)的研究主要集中在植物對(duì)土壤修復(fù)的機(jī)理及植物對(duì)重金屬土壤修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)2 個(gè)方面。在植物對(duì)重金屬土壤修復(fù)機(jī)理中研究的重點(diǎn)為植物揮發(fā)、植物固定、植物提取，三者成為植物修復(fù)機(jī)理和修復(fù)強(qiáng)化方面重點(diǎn)關(guān)注的方向（圖2）。

圖2 重金屬污染土壤植物修復(fù)機(jī)理

3.1 植物提取

植物提取也可稱(chēng)植物萃取，是指利用植物對(duì)重金屬污染土壤中的一種或多種重金屬，通過(guò)吸收、運(yùn)輸、富集、轉(zhuǎn)移并進(jìn)入植物體內(nèi)而儲(chǔ)存，待植物吸收完全后進(jìn)行收割，在一定程度上減少土壤中的重金屬并回收部分貴金屬。植物提取的過(guò)程一般分為5個(gè)步驟：①重金屬在植物根際被活化；②植物自身的細(xì)胞膜可以協(xié)助重金屬進(jìn)入植物根部；③根部質(zhì)外體和共質(zhì)體可以使部分重金屬短距離運(yùn)輸至中柱；④流動(dòng)的重金屬進(jìn)入木質(zhì)部；⑤韌皮部與木質(zhì)部負(fù)載重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)至葉和頸等部位。植物提取的關(guān)鍵在于該植物對(duì)所提取重金屬的耐受性。因此，植物耐受性、重金屬在頸和葉的轉(zhuǎn)運(yùn)成為植物提取最關(guān)鍵的過(guò)程。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)于土壤中重金屬經(jīng)木質(zhì)部向地上轉(zhuǎn)運(yùn)較重要，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在提取過(guò)程起到介導(dǎo)作用，植物體內(nèi)重要的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要有自然抗性巨噬細(xì)胞蛋白、ZRTP（鋅調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）、CDF（陽(yáng)離子擴(kuò)散蛋白）、IRTP（鐵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）等，其主要存在于植物的細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞膜上。植物自身的解毒機(jī)制使其對(duì)重金屬具有一定的耐受性，因此了解植物的解毒機(jī)制對(duì)于植物提取的研究同樣重要。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，植物自身的代謝過(guò)程能夠?qū)⑻崛〉闹亟饘賰?chǔ)存液泡中并隔離，避免重金屬對(duì)植物產(chǎn)生危害，以此起到解毒作用。此外，植物體內(nèi)存在的一些天然螯合物也是植物重金屬解毒系統(tǒng)的重要部分，這些天然植物螯合物有MT（金屬硫蛋白）、GSH（谷胱胺酸）與PCS（植物螯合素）。由于植物提取機(jī)理的關(guān)鍵與植物自身的特性密切相關(guān)，根據(jù)提取機(jī)理篩選重金屬修復(fù)植物時(shí)，該植物應(yīng)根系發(fā)達(dá)、生物量大、生長(zhǎng)快、對(duì)重金屬具有一定耐受性且能夠儲(chǔ)存高濃度的重金屬。在土壤重金屬植物修復(fù)中，超積累植物對(duì)重金屬的積累量高于普通植物100 倍，并且生長(zhǎng)旺盛植物對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的耐受性。

植物的生長(zhǎng)周期、基因型、植物所處環(huán)境的鹽度、氣候、溫度、pH 值、土壤微生物、有機(jī)質(zhì)含量及土壤重金屬含量等因素對(duì)植物的提取影響較大。因此，應(yīng)對(duì)植物的代謝機(jī)制、基因、富集能力及微生物與植物之間的耦合機(jī)制深入研究，以此提高植物提取土壤重金屬的效率。HE C 等［3］研究了篦麻對(duì)土壤中鋅和鉻的富集機(jī)理，通過(guò)對(duì)篦麻的生物量和葉綠素研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)篦麻對(duì)重金屬具有一定的耐受性，鉻和鋅在植物的細(xì)胞壁上進(jìn)行積累和分配，并發(fā)現(xiàn)細(xì)胞壁的-OH、-NH2、-CONH2及-COOH 等可能是鋅和鉻的結(jié)合位點(diǎn)。ZHANG X 等［4］研究了植物提取對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)植物的鮮重和光合色素含量隨重金屬濃度的增加而降低，植物提取后土壤的pH 值較提取之前變化了0.8，土壤中過(guò)氧化氫酶活性也隨植物提取重金屬濃度的增加而下降。

植物提取技術(shù)是將土壤中重金屬主要轉(zhuǎn)移至植物特定的部位，可以治理污染土壤并可回收部分貴重金屬，起到植物冶金的作用。但實(shí)驗(yàn)室對(duì)植物的提取機(jī)理研究一般針對(duì)低濃度的土壤，并且污染物單一，對(duì)于實(shí)際高濃度污染復(fù)雜土壤的提取機(jī)理的研究幾乎未見(jiàn)報(bào)道，難以開(kāi)展研究的原因可能為重金屬污染的土壤較復(fù)雜時(shí)，超過(guò)植物的耐受度，影響植物的解毒，導(dǎo)致植物死亡無(wú)法繼續(xù)開(kāi)展研究。未來(lái)應(yīng)通過(guò)基因技術(shù)等手段提高植物的耐受性，并研究植物對(duì)高濃度重金屬污染的提取機(jī)理，提高植物修復(fù)的應(yīng)用范圍。

3.2 植物揮發(fā)

植物揮發(fā)是指植物將土壤中的某些重金屬吸收到植物體內(nèi)，并通過(guò)自身的功能將其變?yōu)榭蓳]發(fā)態(tài)而釋放到附近大氣中，從而去除土壤中重金屬的一種方式。Se、As 和Hg 等元素?fù)碛斜容^低的氣化點(diǎn)，可以采用植物揮發(fā)去除。植物揮發(fā)的常用植物，主要包括一些濕地植物和印度芥菜。MEAGHER R B等［5］通過(guò)研究煙草對(duì)二價(jià)汞的揮發(fā)去除發(fā)現(xiàn)，煙草可以使毒性較強(qiáng)的汞轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的Hg 單質(zhì)。BANUELOS G S 等［6］研究洋麻對(duì)三價(jià)硒的去除發(fā)現(xiàn)，其可將Se3+轉(zhuǎn)化為揮發(fā)態(tài)的甲基硒經(jīng)過(guò)揮發(fā)而去除。

綜上所述，植物揮發(fā)雖然是一種行之有效的修復(fù)措施，但其應(yīng)用具有較大的局限性，不能廣泛適宜，植物揮發(fā)降低的重金屬，只是將重金屬形態(tài)改變進(jìn)而揮發(fā)至大氣中，當(dāng)發(fā)生大氣干濕沉降則會(huì)散落到土壤和水中，造成了土壤和水的雙重污染，之后通過(guò)食物鏈繼續(xù)危害人類(lèi)的健康和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 植物固定

植物固定修復(fù)是利用植物根部的氧化還原、積累、螯合或機(jī)械穩(wěn)定作用，降低土壤中重金屬的遷移或生物有效性。其具有2 個(gè)方面的作用：①植物固定可以減少重金屬在地下和地表的滲濾和淋溶進(jìn)而保護(hù)污染土壤不受侵蝕，達(dá)到重金屬固定的目的。如胡鵬杰等［7］綜述了英國(guó)學(xué)者通過(guò)在礦區(qū)污染土壤種植耐重金屬的植物，既穩(wěn)定了重金屬污染物，還使礦區(qū)的植被環(huán)境得到改善，通過(guò)種植篩選出了Agrostis tenuis植物并對(duì)酸性土壤的鉛和鋅進(jìn)行了修復(fù)及Festuca rubra 植物并對(duì)堿性的鉛和鋅進(jìn)行修復(fù)。②植物固定通過(guò)植物根部對(duì)重金屬的吸收、積累及沉降等作用，固定土壤中的重金屬污染物，改善重金屬污染土壤的生態(tài)環(huán)境。VAZQUEZ S 等［8］采用白羽扇豆固定土壤中的砷和鉻，并發(fā)現(xiàn)砷和鉻被固定在其根瘤中。土壤中鉛與鉻的固定與鈍化經(jīng)常采用植物固定的方式進(jìn)行，其中的鉛具有較高的生物有效性并且鉛的磷酸鹽礦物比較難溶，因此，植物不僅可以將鉛固定和穩(wěn)定化，還可以將其磷酸化降低鉛的生物有效性，以減少周?chē)寥赖纳锒拘浴?/p>

通過(guò)植物的固定，土壤中重金屬污染并沒(méi)有減少而只是通過(guò)植物暫時(shí)將其穩(wěn)定化，并沒(méi)有去除。因此，要防止環(huán)境的改變，對(duì)重金屬形狀的影響，避免重金屬溶解產(chǎn)生土壤的二次污染。

4 提高植物修復(fù)技術(shù)的方法

4.1 微生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)

植物用于重金屬土壤修復(fù)時(shí)，會(huì)受到重金屬的脅迫，微生物可以改善植物細(xì)胞的代謝，增加植物對(duì)高濃度重金屬的耐受性，從而更好地去除土壤中的重金屬。植物內(nèi)微生物通過(guò)對(duì)植物的促生作用有助于其更好地適應(yīng)土壤重金屬的環(huán)境變化。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，如叢枝菌根真菌、根際細(xì)菌、鉀鹽溶解菌、游離固氮菌及磷酸菌等植物促生細(xì)菌能夠顯著促進(jìn)修復(fù)植物的生長(zhǎng)。微生物可以通過(guò)分泌生長(zhǎng)素如赤霉素、細(xì)胞分裂素及吲哚-3-乙酸等來(lái)改善植物的固氮、營(yíng)養(yǎng)及增加宿主植物對(duì)生物脅迫抗性等方式，以此促進(jìn)植物的發(fā)育與生長(zhǎng)，除生長(zhǎng)素外，微生物產(chǎn)生H+溶解難溶性礦質(zhì)養(yǎng)分、螯合物、ACC脫氨酶緩解乙烯脅迫及分泌鐵載體也能達(dá)到促進(jìn)植物生長(zhǎng)的目的，見(jiàn)圖3。

圖3 微生物對(duì)植物修復(fù)加強(qiáng)的機(jī)理

在植物提取土壤中重金屬的過(guò)程中，植物促生作用扮演著十分重要的意義，植物的促生增強(qiáng)伴隨著植物生物量的增加并會(huì)提高植物對(duì)土壤中重金屬的積累量。因此，研究接種具有促生作用的微生物對(duì)提高植物修復(fù)的效率具有重要意義。RAJKUMAR M 等［9］在芥菜上接種內(nèi)生假單胞菌后，發(fā)現(xiàn)微生物會(huì)分泌吲哚-3-乙酸，明顯提高了植物的生物量。微生物除了上述促進(jìn)作用外，還可以通過(guò)ACC 脫氨酶降低植物體內(nèi)乙烯的含量，進(jìn)而提高植物的耐受性。微生物還可以通過(guò)生長(zhǎng)素促進(jìn)植物體中ACC 脫氨酶的合成，提高植物對(duì)土壤重金屬的提取效果。除上述外，微生物分泌代謝物、螯合物、鐵載體可以促進(jìn)鋅、銅、鐵的活化改善修復(fù)植物的營(yíng)養(yǎng)狀況。其中鐵載體可以與土壤重金屬形成胞外絡(luò)合物，促進(jìn)修復(fù)植物的生長(zhǎng)，另一方面其可以與二價(jià)銅、二價(jià)鋅、三價(jià)鐵等結(jié)合形成復(fù)合物，提高植物對(duì)微量元素的吸收。與植物共生的慢生根瘤菌可以通過(guò)固氮作用給植物提供氮源促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。WANI P A 等［10］研究發(fā)現(xiàn)，采用鷹嘴豆修復(fù)Cr 污染土壤時(shí)，并通過(guò)接種慢生根瘤菌對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化，接種后顯著提高了修復(fù)植物的地上部氮含量及其生物量。另外一些研究表明，有益性細(xì)菌也能產(chǎn)生抗生素類(lèi)代謝產(chǎn)物、細(xì)胞壁裂解酶、鐵載體進(jìn)而保護(hù)修復(fù)植物免受病原性微生物（細(xì)菌、真菌、病毒）的毒害。如一些植物促生菌可以釋放蛋白酶、脂肪酶、-1，3-葡聚糖酶、幾丁質(zhì)酶，可以對(duì)真菌性病原菌起到防御的作用，并對(duì)植物的病原菌危害起到一定的緩解作用。微生物對(duì)植物修復(fù)的的強(qiáng)化具有多重作用，僅僅通過(guò)上述接種研究難以直接證明其特定的強(qiáng)化機(jī)理。另外，植物種類(lèi)、微量元素濃度、土壤性質(zhì)及微生物種類(lèi)和菌株類(lèi)型也對(duì)微生物的強(qiáng)化作用產(chǎn)生效果［11］。因此，如何定量描述微生物對(duì)植物的強(qiáng)化作用，還需要后續(xù)進(jìn)一步深入探索與研究。

4.2 間套種修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)

間套種技術(shù)對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生重要的影響，是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)藝的經(jīng)典技術(shù)，可以借助間套種技術(shù)獨(dú)特的生態(tài)優(yōu)勢(shì)達(dá)到強(qiáng)化植物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)。間套種可以采用生態(tài)位差異性較大的修復(fù)植物，且修復(fù)植物之間互相不影響，以此提高土壤資源的利用效率。間套種植物彼此之間的分泌物可相互促進(jìn)生長(zhǎng)，相比于單一植物修復(fù)，可以增加單位面積的產(chǎn)量；間套種植物可以產(chǎn)生一些分泌物，如低分子有機(jī)酸及氨基酸等，可以活化土壤中的重金屬污染物，并對(duì)根際微生物產(chǎn)生積極影響，增加微生物活性，從而強(qiáng)化植物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)能力，間套種植物之間還存在一定的協(xié)同作用，這種協(xié)同作用促進(jìn)了植物對(duì)重金屬的提取。間套種的2 種植物之間的強(qiáng)化去除機(jī)理如圖4 所示。從圖4 可以看出，間套種強(qiáng)化了植物根際分泌物的種類(lèi)以及數(shù)量濃度，有研究表明采用馬唐與玉米間種，間種分泌的有機(jī)酸遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單一修復(fù)植物，并得出間套作的修復(fù)植物根際分泌物在污染土壤中相互擴(kuò)散且相互作用［12］。間套作通過(guò)一定的方式，對(duì)土壤中重金屬的有效性產(chǎn)生一定的影響。

圖4 間套種植物強(qiáng)化技術(shù)機(jī)理

采用間套作可以發(fā)揮植物的協(xié)同作用進(jìn)而增強(qiáng)修復(fù)植物對(duì)重金屬的提取能力。ZUO Y 等［13］研究了雙子葉植物的間種，發(fā)現(xiàn)間種加強(qiáng)了雙子葉植物對(duì)Zn、Fe 的提取效果。SELVAM A 等［14］將菥蓂與天藍(lán)遏藍(lán)菜間種并在土壤中添加氧化鋅和硫化鋅，試驗(yàn)表明：與單獨(dú)種植天藍(lán)遏藍(lán)菜相比，間種增加了其對(duì)Zn 的提取量。雖然間種可以提高植物對(duì)重金屬的修復(fù)效率，但WIESHAMMER G 等［15］的研究結(jié)果表明：將柳樹(shù)和擬南芥間種，并沒(méi)有增加柳樹(shù)對(duì)鋅和鉻的提取。因此對(duì)于間種的植物需要合理地選擇，其對(duì)強(qiáng)化植物修復(fù)至關(guān)重要。

4.3 現(xiàn)代生物技術(shù)提高植物的修復(fù)能力

利用生物技術(shù)提高植物修復(fù)能力，目前有2 個(gè)方面的研究方向，一方面可以改變修復(fù)植物的代謝和形態(tài)如植物根的密度、長(zhǎng)度等來(lái)提高植物的修復(fù)能力。另一方面，通過(guò)外源基因的插入，進(jìn)而改變修復(fù)植物對(duì)重金屬的提取效果。煙草的轉(zhuǎn)基因是文獻(xiàn)中第一個(gè)報(bào)道的轉(zhuǎn)基因修復(fù)植物，對(duì)煙草導(dǎo)入金屬硫基因使其對(duì)鉻和汞產(chǎn)生抗性。KIYONO M 等［16］把細(xì)菌的merC 基因通過(guò)Tn 21 編碼的操縱子導(dǎo)入擬南芥中，相比較于野生型擬南芥，可以積累更多的鉻。GUO J 等［17］深入研究了轉(zhuǎn)基因擬南芥中，何種基因的表達(dá)可以提高植物對(duì)重金屬的耐性和富集能力，研究發(fā)現(xiàn)YCF1 和AsPCS1 基因的過(guò)量表達(dá)是提高擬南芥對(duì)重金屬修復(fù)的原因。COUSELO J L 等［18］將TaPCS1 基因（植物螯合肽合成酶基因）導(dǎo)入山楊中，并采用轉(zhuǎn)基因山楊和普通山楊提取土壤中的鉛，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因山楊的提取量是普通山楊的1.7 倍。

5 問(wèn)題及展望

5.1 問(wèn)題

1）植物對(duì)土壤中重金屬的修復(fù)核心是植物的篩選，但當(dāng)前植物的篩選多集中在旱生植物，對(duì)濕地植物的研究與報(bào)道有限，并未形成濕地植物對(duì)重金屬污染土壤修復(fù)的系統(tǒng)性方案，對(duì)植物修復(fù)的廣泛性存在限制，后續(xù)植物的篩選應(yīng)對(duì)濕地植物的修復(fù)機(jī)理進(jìn)行研究，以擴(kuò)大對(duì)現(xiàn)有植物的篩選方向，使?jié)竦刂参飳?duì)土壤中重金屬污染的修復(fù)有更廣闊的發(fā)展前景。

2）當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)道的植物多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)，沒(méi)有進(jìn)行大面積的推廣，若要實(shí)際應(yīng)用后續(xù)還需開(kāi)展更多的現(xiàn)場(chǎng)深入研究。

3）植物修復(fù)時(shí)間較久，相比于化學(xué)修復(fù)，其修復(fù)更加緩慢，對(duì)于土壤的突發(fā)重金屬污染事件不適用。

4）當(dāng)前的修復(fù)植物大多矮小、生物量不足、根系短、修復(fù)時(shí)間久，因而修復(fù)效率較差。

5）植物修復(fù)關(guān)聯(lián)環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、生物學(xué)、土壤學(xué)、化學(xué)、遺傳學(xué)及生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域，因此植物修復(fù)需要大量的理論基礎(chǔ)和對(duì)實(shí)際污染土壤進(jìn)行修復(fù)，而現(xiàn)在對(duì)植物修復(fù)的理論知識(shí)研究不徹底，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

6）對(duì)于修復(fù)后的植物如不采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，待植物死亡后?huì)重新釋放大量的重金屬，產(chǎn)生不必要的二次污染。

5.2 展望

1）深入分析了植物對(duì)重金屬的提取、解毒及轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理，同時(shí)對(duì)修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)的機(jī)理進(jìn)行了深入研究，開(kāi)發(fā)出生長(zhǎng)速率快、根系發(fā)達(dá)、富集量大的超富集植物，為植物修復(fù)的理論工作奠定基礎(chǔ)。

2）植物的轉(zhuǎn)基因修復(fù)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響、吸附后植物的后處置問(wèn)題需進(jìn)一步研究，以消除公眾對(duì)植物修復(fù)的質(zhì)疑，確保植物修復(fù)的綠色和安全。

3）通過(guò)對(duì)重金屬污染場(chǎng)地的調(diào)查，尋找更多超富集植物，并對(duì)超富集植物進(jìn)行科學(xué)的馴化。

4）任何土壤修復(fù)技術(shù)都有自身的缺點(diǎn)與不足，因此，可將現(xiàn)有修復(fù)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合，組成新型聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，如植物-微生物聯(lián)合修復(fù)、環(huán)境材料-植物聯(lián)合修復(fù)、化學(xué)螯合劑-植物聯(lián)合修復(fù)等，采用聯(lián)合修復(fù)可使重金屬技術(shù)上升新臺(tái)階，力求達(dá)到重金屬最好的去除效果，并產(chǎn)生更少的副作用。因此，對(duì)現(xiàn)有修復(fù)方法的正確結(jié)合，是未來(lái)土壤修復(fù)所需重點(diǎn)研究的科學(xué)問(wèn)題。